第五章代谢总论与生物能学

第五章代谢总论与生物能学

代谢总论 （一）新陈代谢的概念生物小分子合成为生物大分子合成代谢（同化作用）需要能量能量代谢物质代谢新陈代谢释放能量分解代谢（异化作用）生物大分子分解为生物小分子

新陈代谢的共同特点： 1. 由酶催化，反应条件温和。 2. 诸多反应有严格的顺序，彼此协调。 3. 对周围环境高度适应。（二）新陈代谢的研究方法 1. 活体内(in vivo)与活体外实验(in vitro) 2. 同位素示踪 3. 代谢途径阻断

一、有关热力学的一些基本概念 生物能学 • （一）体系的概念、性质和状态 • 体系指的是在研究中所涉及的全部物质的总称。 • 环境是与体系直接相互作用的外界。环境体系环境+体系=“宇宙”

开放体系：与环境进行物质交换和能量传递 • 封闭体系：与环境有能量传递，无物质交换 • 隔离体系：与环境无能量传递，无物质交换 • 体系的性质包括压力、体积、温度、组成、比热、表面张力等。 • 热力学用体系的性质描述一个体系所处的状态。

热是由于温差而产生的能量传递方式。热的传递伴随着质点的 无序运动。功是体系与环境间另一种能量交换方式。任何一种功都伴随着体系质点的定向移动。这是一种有序的运动。 (二）能的两种形式---热与功

（三）内能和焓的概念 • 内能是体系内部质点能量的总和，用U或E表示。内能是体系状态的函数。 • 内能无法测量，内能的改变量可以测量。 • 焓也是体系的状态函数，用H表示。焓是一个体系的内能与其全部分子的压力和体积总变化之和。 • 焓变和内能变化之间的关系可用下式表示： H=  U+  PV

（四）热力学第一定律 • 热力学第一定律称为能量守恒定律。 • 热力学第一定律的数学表达式为： • U=Q - W • 体系内能的微小变化表达为dU=dQ – dW • 体系焓的微小变化可用下式表示： • dH=dU+PdV+VdP • 生物化学过程近似地恒压恒容H U

(五）热力学第二定律和熵的概念 • 热力学第二定律指出：热的传导只能由高温物体传至低温物体。 • 自发过程的共同特征就是这些过程都向能量分散程度增大的方向进行。 • 代表体系能量分散程度的状态函数称为熵，用 S表示。 • 任何自发的过程总是增加整体的熵。

（六）自由能的概念 • 自由能是Josiah Gibbs在1878年提出。能够用以做功的能量称为自由能。 • 自由能是一个状态函数，与热力学第一、第二定律相关。 • G= H-T S • G<0 过程放能 • G>0 过程吸能 • G=0 体系达到平衡

（七）标准自由能变化 • 标准自由能变化是在规定的标准条件下的自由能的变化。用G0表示。标准状态被规定在25oC,1大气压，所有溶质的浓度是1mol的反应。 • 一个反应的自由能变化是与这反应的平衡常数相关。 • 一个反应A+B=C+D 平衡常数Keq=[C][D]/[A][B] • 自由能变化G与标准自由能变化G0以下面的方程相关。 • G=G0 +2.303RTlg[C][D]/[A][B] • 如果反应达到平衡， G=0 • G0 =-2.303RTlg[C][D]/[A][B]=-2.303RTlgKeq • 因为大多数生化反应发生在或接近pH7,这pH值已被设计为生物能学中的标准pH。在pH7的标准自由能变化用G0'表示,以区别于G0。然而一个反应的自发性严格说是G（<0），不是G0。

（八）偶联反应 • 有机体内许多化学反应有正的G0'值，幸而，在任何反应顺序中自由能值是加和的。 • A+B C+D G0'反应1 （1） G0'=+5kcal/mol C+E F+G G0'反应2 （2） G0'= - 8kcal/mol A+B+E D+F+G G0'总反应（3）= G0'反应1 + G0'反应2 这反应（1）和反应（2）有一个共同的中间体C, G0'总是负值，形成产物F和G是一个放能过程，容易进行。这样一个热力学上不能进行的反应，可以由与它偶联的热力学上容易进行的反应驱动，这种情况在生物化学反应中是很多的。

二，生物体内能量的载体——ATP • ATP是主要的高能化合物 • 生物体一切活动所需的能量，主要来自糖、脂肪的分解代谢。 • 但物质氧化产生的能量必须先转变成ATP等含有的高能键形式才能利用。 • ATP是生物细胞最主要的直接能源，所以常把ATP比作细胞内能量的“通用货币”。

物质代谢时必定伴有能量代谢，而能量的转移通常都以产生或消耗ATP形式体现，通过ATP/ADP循环联系能量的释放，储存和利用。物质代谢时必定伴有能量代谢，而能量的转移通常都以产生或消耗ATP形式体现，通过ATP/ADP循环联系能量的释放，储存和利用。 ADP+Pi 有机物 O2 合成生物大分子代谢反应物质运输肌肉收缩信息传递能量氧化能量 ATP CO2,H2O等 ATP中的，磷酸基水解时放能30.5kJ/mol 一般将水解时释放的自由能在20.92kJ/mol以上的化学键称为高能键，以~表示。

ATP经受水解的趋向(称为它的磷酸基团转移势)不是最好的。多种生物分子能转移磷酸基团到其他化合物，具有高G0 '水解值的磷酸盐化合物比具有较低值的磷酸盐化合物有较高的磷酸基团转移势，因为ATP有一个中间的磷酸基团转移势，它能够是一个从高能化合物到低能化合物的磷酸基团的一个中间载体。磷酸烯醇丙酮酸+ADP 丙酮酸+ATP G+ATP G-6-P +ADP ATP是生命体系的能量货币。

第五章 代谢总论 与生物能学